بخشی از مقاله
چکیده
پوشش نیترید تیتانیم و کربونیترید تیتانیم به عنوان پوششهای سخت، مقاوم به سایش و مقاوم به ضربه مطرح هستند. لذا این نوع پوششهای سرامیکی با توجه به ضریب اصطکاک پایین و مقاومت به سایش بالا میتوانند در بدنه سیلندر موتور، مورد استفاده قرار گیرند. در این مقاله، از روش ترسیب شیمیایی از فاز بخار بهبود یافته توسط پلاسما، به منظور ایجاد یک پوشش نازک با ضخامت 3 میکرومتر استفاده شد.
مهمترین مزیت استفاده از این تکنیک، ایجاد پوشش با ضخامت یکسان بر روی سطوح با هندسه پیچیده و چسبندگی بالا بر روی زیرلایههای متفاوت میباشد. برای بررسی و مقایسه رفتار این دو پوشش، از آزمون ویکرز به منظور تعیین سختی و چقرمگی و از آزمون پین بر روی دیسک، برای بررسی مکانیزم سایش استفاده شد. نتایج حاصل نشان دادند که پوشش کربونیترید تیتانیم نسبت به پوشش نیترید تیتانیم دارای سختی بالاتر، میزان ضریب اصطکاک پایینتر و چقرمگی بیشتری است. تصاویر میکروسکپ نوری نیز، تغییر مکانیزم سایش را برای این دو نوع پوشش، پیشنهاد دادند.
مقدمه
یکی از مکانهای مورد نیاز برای پوششدهی در موتورها، محفظه احتراق است. وجود یک پوشش با خصوصیات مناسب در قسمت بدنه سیلندر محفظه احتراق، میتواند موجب افزایش عملکرد این قطعه شود. از آنجا که پوششهای سرامیکی - همانند کاربید، نیترید و بوراید فلزات واسطه - نسبت به فلزات و آلیاژها - همانند آلومینیم، منیزیم، فولادها و چدنها - دارای سختی و مقاومت به سایش بالاتر - با مکانیزمهای متفاوت فرسایش، سایش خراشان و چسبان - هستند، میتوانند در افزایش بازدهی کارایی و طول عمر، موثر واقع میشوند.
همچنین این پوششها با داشتن ضریب اصطکاک پایین، قابلیت این را دارند که میزان اصطکاک و هدررفت انرژی را کاهش داده و از میزان سر و صدای موتور بکاهند. از آنجا که قطعات بسیاری در موتور خودروها در معرض سایش هستند و نیاز به کارکرد در زمانهای طولانی دارند، استفاده از پوششهای مقاوم به سایش با هزینه کمتر به منظور تعمیر و نگهداری قطعات، طول عمر و کارایی قطعات را چندین برابر افزایش میدهند
پوشش نیترید تیتانیم و کربونیترید تیتانیم دارای خواص ویژه مانند سختی و مدول الاستیک بالا، مقاومت بالا در برابر سایش و ضریب اصطکاک کمتر نسبت به مواد فلزی بدون پوشش هستند که همین عوامل موجب کاربرد این پوششها در صنایع بسیاری مانند صنعت خودروسازی و موتورسازی، هوافضا، پزشکی و الکترونیک شده است. همچنین این پوششها دارای مقاومت به خوردگی بالا و مقاومت بالا در برابر شوکهای حرارتی و اکسیداسیون داغ نیز هستند. این پوششهای نیتریدی و کاربیدی همچنین دارای ظاهر مناسبی با رنگهای متنوع طلایی، خاکستری و نقرهای میباشند.
عمدهترین روشهای ایجاد این نوع پوششها، روش ترسیب از فاز بخار فیزیکی1 و روش ترسیب از فاز بخار شیمیایی میباشد. کم بودن نرخ رسوبدهی، نیاز به خلأ بسیار بالا، کاهش استحکام چسبندگی پوشش به زیر لایه و قدرت پرتاب نسبتاً کم به منظور پوششدهی قطعات با هندسه پیچیده از محدودیتهای روش ترسیب از فاز بخار فیزیکی محسوب میشود. در روش ترسیب از فاز بخار شیمیایی گرمایی2 ، دمای زیاد فرایند - بالاتر از 700 درجه سانتیگراد - نیز، سبب کاهش کیفیت پوشش و تغییر خواص زیرلایه میشود. اما روش ترسیب از فاز بخار شیمیایی بهبودیافته توسط پلاسما3، تکنیک مناسبی برای ایجاد پوشش با کم کردن محدودیتهای ذکر شده در دو روش پیشنهادی، میباشد. همچنین این روش برای پوششدهی سطوح قطعات با هندسه و اشکال پیچیده با ایجاد یک ضخامت ثابت امکانپذیر میباشد
علاوه بر این، در این روش، کنترل ترکیب و ضخامت پوشش به راحتی صورت گرفته و در هنگام پوششدهی نیازی به چرخش نمونه نمیباشد، زیرا که قدرت پرتاب، در این روش بسیار بالا میباشد و امکان ایجاد یک پوشش کاملاً یکنواخت در سطوح ناصاف و یا پلهای راحت میباشد
در تحقیقات دیگران، از پوششهای فلزی، سرامیکی مانند کرم، نیکل یا کربن الماسگون و یا کاربید زیرکونیم [6-7] و یا پوششهای آلی همانند تفلون در قسمتهای متفاوت موتور خودرو همچون میللنگ، رینگ پیستون، دریچههای موتور و قطعات سیستم تعلیق و جعبه گیربکس استفاده شده است. این پوششها معمولا از طریق پاشش حرارتی، آبکاری یا الکترولس با ضخامت بیشتر از 5 میکرومتر بر روی قطعات اعمال میشوند
همچنین قابل ذکر است که ساخت پوششهای ضدخراش و ضد سایش با دوام زیاد برای خوروها به منظور راههای جلوگیری از صدمات ناشی از عوامل طبیعی نظیر برف و باران، رسوبات اسدی و نمکی، تابش ماوراء بنفش خورشید، رطوبت و همچنین لب پریدگی، رنگرفتگی و خراش نیز انجام شده است.
در این مقاله از پوششهای پایه نیترید تیتانیمی به صورت تک لایه یا چندجزئی همراه با حضور کربن استفاده شد. بررسی میزان سختی و میزان چقرمگی توسط آزمون میکروسختی ویکرز، بررسی میزان مقاومت به سایش، مکانیزم و ضریب اصطکاک پوششهای سرامیکی مذکور توسط دستگاه پین بر روی دیسک و میکروسکپ الکترونی روبشی، انجام شد.
روش تحقیق
برای ایجاد پوشش سرامیکی نیترید تیتانیم و کربونیترید تیتانیم از دستگاه ترسیب از فاز بخار شیمیایی بهبودیافته توسط پلاسما استفاده شد. پارامترهای مورد نیاز در هنگام پوششدهی در جدول 1 ثبت شده است. میزان ضخامت این پوششها حدود 3 میکرومتر است - با توجه به تصاویر میکروسکپ الکترونی روبشی - . جزیئات بیشتر در مورد نحوه پوششدهی و اطلاعات دستگاه مورد استفاده در مراجع دیگر [8-9] وجود دارد.
از آزمون میکروویکرز با نیروی 25 گرم برای سختیسنجی و نیروی 50-100 کیلوگرم برای آزمون تعیین چقرمگی پوششهای سرامیکی استفاده شد - برای اطلاع بیشتر از نحوه انجام این آزمون به مرجع [9] مراجعه شود - . از دستگاه پین - از جنس کبالت- کاربید تنگستن - بر روی دیسک و ترازو با دقت 0/05 میکروگرم برای بررسی میزان سایش و از میکروسکپ الکترونی روبشی برای بررسی مکانیزم سایش استفاده شد. میزان ضریب اصطکاک نیز با نیروی 10 نیوتن، سرعت 0/1 متر بر ثانیه و مسافت 1000 متر، در دمای کارکرد 25 درجه سانتی گراد و میزان رطوبت نسبی 30 درصد تخمین زده شد.
جدول :1 عوامل پوششدهی
نتایج و بحث
همانطور که در جدول شماره 2 مشاهده میشود، میزان سختی پوشش کربونیترید تیتانیم به دلیل داشتن کربن دارای میکروسختی بیشتری - حدود 10 درصد نسبی - نسبت به پوشش نیترید تیتانیم است. این نتیجه در گزارش دیگر محققین [10] نیز مشاهده میشود. قابل ذکر است که این افزایش سختی پوشش نسبت به فلز پایه بسیار چشمگیر است و این امر میتواند به عنوان نقطه قوت پوششهای سرامیکی نسبت به فلز پایه محسوب شود.
خواص ذاتی مواد چون سختی، استحکام، انعطافپذیری و سختیپذیری بر روی میزان مقاومت مواد در برابر سایش تأثیرگذار هستند. علاوه بر این، عوامل بسیاری مانند میزان صافی سطوح، نوع محیط، نیروی اعمالی، سرعت اعمال نیرو، خوردگی، زبری ساینده، میزان ذرات آلودگی و دما وجود دارند که به عنوان پارامترهای خارجی بر روی میزان سایش تأثیرگذار میباشند. لذا در این آزمون تمامی عواملی خارجی برای تمامی نمونهها ثابت است، تا خواص ذاتی مواد به عنوان پارامتر تغییردهنده نتایج آزمون مطرح شوند.
نتایج حاصل حاکی از این مطلب است که پوشش کربونیترید تیتانیم دارای مقاومت به سایش بیشتری - حدود دو برابر - در برابر حضور یک جسم ساینده است. دلیل این امر نیز میتواند به مقدار سختی بیشتر این پوشش و همچنین ضریب اصطکاک کمتر نسبت داده شود. مسیر سایش - نمای بالا - برای این دو پوشش در شکل 1 مشاهده میشود. با توجه به تصاویر میکروسکپ الکترونی روبشی میتوان گفت که پوشش نیترید تیتانیم دارای انعطافپذیری بیشتری نسبت به پوشش دیگر است و همین عامل باعث فشردگی و تجمع لایهها در کنار مسیر سایش شده است
همچنین پهنای مسیر سایش برای این پوشش حدود یک میلیمتر است. لذا مکانیزم پیشنهادی برای این سایش قفلشوندگی مکانیکی پیشنهاد داده میشود. با افزایش میزان سختی پوشش برای پوشش کربونیترید تیتانیم، مکانیزم سایش تعویض شده و به نظر میرسد که به بریدگی پوشش از سطح انتقال یابد. به همین دلیل نیز پهنای مسیر سایش کاهش یافته و به مقدار تقریبی 800 میکرومتر میرسد - شکل -1 الف - . همچنین میزان تجمع پوشش در مرز قسمت سایشیافته کمترین مقدار خود را دارا است.
جدول :2 نتایج آزمونهای سختی و سایش
شکل :1 تصاویر میکروسکپ الکترونی روبشی مسیر سایش در پوششها به جهت پیشبینی مکانیزم سایش: - الف - پوشش کربونیترید تیتانیم و - ب - پوشش نیترید تیتانیم
در برخی از مقالهها اینگونه گزارش است که در هنگام سایش، در سرعتهای بالا 1/5 - متر برثانیه - و با حضور درصد رطوبت بالا 80 - درصد - ، در هنگام سایش، یک لایه اکسید تیتانیم ایجاد شده که همین عامل سبب کاهش یا افزایش ناگهانی میزان ضریب اصطکاک میشود .[11] در این تحقیق که سرعت سایش به صورت متوسط انتخاب شده است و درصد رطوبت هوا بالا نیست، حضور چنین مکانیزمی - ترموشیمیایی - بعید به نظر میرسد
